生物信息材料学初探.pdf

第 1 期2024 年 2 月现代盐化工专论与综述No.1Feb.,2024生物信息材料学初探董福田(南京师范大学国家健康医疗大数据研究院,江苏南京 210046)作者简介:董福田,男,河北沧州人,执行院长,本科,研究方向:GIS 理论方法,中西医理论融合,信息、生物与材料的交叉融合。摘要:生物信息材料学是融合医学、信息学、材料学等多个学科的一门交叉学科,内容涵盖建立动态平衡的结构系统模型、生命结构系统的演化和生物信息材料的研制及其利用 3 个部分。首先,通过数学推理的方法论述了符合“阴阳五行模型”结构系统所具有的动态平衡的特性;其次,论证了生命结构系统是从具体结构主导的演化发展到抽象结构主导的演化过程中诞生,进而阐述了疾病与健康的统一理论,提出“以邪扶正”和“以正扶正”两种治疗疾病、维护健康的方法;最后,提出让生物通过识别设计加工而成的材料中的结构信息,通过调节基因表达的创新材料设计目标的理论和方法,建立生物信息材料学。基于此,运用生物信息材料学中维护生命健康的理论和方法所研制出的功能性材料,可应用于治疗疾病的药物、预防保健的功能食品,并拓展应用到有益生命健康的化妆品、日用品等领域。关键词:动态平衡;动态平衡的结构系统模型;自适应;自组织;生物信息材料学;以邪扶正;以正扶正 疫苗的发现是人类医学史上一件具有里程碑意义的事件。人体接种疫苗以后,会刺激机体发生反应,引起免疫应答生成相应的抗体,使人体对此病原体具有免疫和防御作用1 2。但是,人体为何会对不攻击人体的灭活疫苗产生反应?因为生物是一种具有保持动态平衡功能的化学系统3,不但自身体内的所有结构都可以动态调节,而且还能生成调节外部结构的物质,这是生物繁衍和生存必须具有的最基本功能。因此,灭活疫苗这种人体不需要的结构在进入人体后,机体为了维护动态平衡,就会生成相应的制约性结构 抗体。深入探索生物所具有的维持自身平衡的功能并加以利用,将极大地增强人类维护健康的能力。但要实现这一目标,首先应该研究和建立动态平衡结构模型。1 动态平衡的结构系统模型结构系统是内在规定性和外在规定性的统一,通过结构之间的内在联系形成系统,再通过与外部结构之间的联系形成系统的功能,即结构系统是结构和功能的统一。生物学认为,结构与功能是相适应的,结构的演化是为了改善其功能,而功能反过来又会影响结构的演化。生物的结构系统是一个复杂的巨系统,不同生物具有不同的结构系统,故而难以直接研究生物结构系统。需要通过构建动态平衡的结构系统模型,研究结构系统的共性,进而探索发现其所具有的规律与秩序,才能将复杂问题简单化。生物是一个动态平衡的结构系统,意味着生物结构系统中的结构是可以自主调节的。假设生物结构系统中的结构为 x,机体为了维持其动态平衡,根据需要x 的量可增可减,即要有促进 x 的结构和制约 x 的结构,而 x 在结构系统中也具有促进或制约其他结构的作用。因此,在一个理想的结构模型中,必然存在受 x制约的结构和制约 x 的结构,即制约作用;同时,也必然存在受 x 促进的结构和促进 x 的结构,即促进作用。加上它自身共 5 个结构,构成了一个相互制约和相互促进的结构系统,这与相生相克的“阴阳五行模型”相类似,符合“阴阳五行模型”的结构系统具有保持自身动态平衡的特性4,具体证明过程如下。假设 A、B、C、D、E 是结构系统中的要素,见图 1。其中 A 促进 B,B 促进 C,E 制约 B,B 制约 D,C 促进D,C 制约 E,A 制约 C,D 促进 E,D 制约 A,E 促进 A。设 f(X)为系统的结果函数,在对应系统内不同的元素 图 1 结构系统作用模型02第 1 期2024 年 2 月现代盐化工Modern Salt and Chemical IndustryNo.1Feb.,2024时会转化,则若 f(E1)和 f(A1)已知,E 作为起点,根据结构之间的促进作用和制约作用:f(E1)=f(E1),f(A1)=f(A1),f(B1)=f(A1)-f(E1),f(C1)=f(B1)-f(A1),f(D1)=f(C1)-f(B1),f(E2)=f(D1)-f(C1),f(A2)=f(E2)-f(D1),f(B2)=f(A2)-f(E2)f(En)=f(Dn-1)-f(Cn-1),f(An)=f(En)-f(Dn-1),f(Bn)=f(An)-f(En),f(Cn)=f(Bn)-f(An),f(Dn)=f(Cn)-f(Bn),f(En+1)=f(Dn)-f(Cn),f(An+1)=f(En+1)-f(Dn),其中 n2则 f(En)+f(An)+f(Bn)+f(Cn)+f(Dn)+f(En+1)=f(Dn)-f(Cn-1)f(Cn-1)-f(Dn)=f(Bn-1)-f(An-1)-f(Cn)+f(Bn),其中 f(Cn)=f(Bn)-f(An)因此,f(Cn-1)-f(Dn)=f(Bn-1)+f(An)-f(An-1),其中 f(An)=f(En)-f(Dn-1)=f(Dn-1)-f(Cn-1)-f(Dn-1)=-f(Cn-1)因此,f(Cn-1)-f(Dn)=f(Bn-1)-f(Cn-1)-f(An-1)=f(Bn-1)-f(An-1)-f(Cn-1),其中 f(Cn-1)=f(Bn-1)-f(An-1)因此,f(Cn-1)-f(Dn)=0,即 f(Dn)=f(Cn-1),同理可以证明在系统的动态变化过程中要素之间的关系。所以,f(En)+f(An)+f(Bn)+f(Cn)+f(Dn)+f(En+1)=f(Dn)-f(Cn-1)=0,f(An)+f(Bn)+f(Cn)+f(Dn)+f(En)+f(En+1)=0,而不是 f(An)+f(Bn)+f(Cn)+f(Dn)+f(En)=0,因此这样的结构系统能保持动态平衡。f(Dn)=f(Cn-1)说明在这个动态平衡系统之中,某个数值会在相互作用的要素中周期性地依次出现,例如当 f(E1)=10、f(A1)=15 时,见图 2。这个数值代表该要素功能属性的能力、强度等。图 2 结构系统周期律动态平衡系统中的要素在受到外部干扰时,只要没有超出要素本身的阙阈值,系统仍然能够保持动态平衡的特性,而且由于要素之间的相互作用,外部干扰会传递给系统中的每个要素。例如当扰动量T 对要素 A 产生干扰时,虽然 f(A2)发生了变化,但系统仍保持稳定,并将T 在各要素间传递,见图 3。图 3 结构系统的动态平衡因为,f(En)=f(Dn-1)-f(Cn-1),则 f(Cn-1)=f(Dn-1)-f(En);而且,f(An)=f(En)-f(Dn-1);因此,f(An)+f(Cn-1)=0。同理可以证明:f(Bn)+f(Dn-1)=0,f(En)+f(B)=0 等。每个要素都代表了一个复合结构,包含了促进结构和制约结构,在循环往复相互作用的动态变化之中,都有其互补作用的出现,能自动调节从而维持结构系统的动态平衡。以上结果表明,相生相克的“阴阳五行结构模型”是一种动态平衡的结构系统,是简单与复杂的统一,这也是所有生命结构系统所具有的结构特性。“阴阳五行结构模型”揭示了由简单系统向复杂系统演化的最基本的机理。(1)“阴阳五行结构模型”中的每个要素都与其他 4 个要素发生相互作用,其中既有生它的又有克它的,既有它生的又有它克的。生使其强度增大,克使其强度减小,循环往复,自我调节,并形成“五行胜复”的反馈机制。若有一行过于亢盛,按相克次序依次制约,以制约其偏盛,使之复归于平衡,反之同理。(2)但如果模型中的要素异于 5,那么与每个要素发生相互作用的要素不是少于 4 个就是多于 4 个。如果多于 4 个,仍然可以根据“阴阳五行结构模型”中“其他要素促进它的结构与其他要素制约它的结12第 1 期2024 年 2 月现代盐化工专论与综述No.1Feb.,2024构、它促进其他要素的结构与它制约其他要素的结构”这一原则进行要素之间的组合,最终仍然可以归结为 4 种要素;如果少于 4 个,则在这个模型中,一定有一个要素缺少一种促进它或者制约它的结构,这样的结构模型就不能保持持久的动态平衡。以上通过数学推理的方法论证了按照“阴阳五行结构模型”所构建的结构系统具有动态平衡的特性,而且这个动态平衡是结构内部相互作用产生的结果。2 生命结构系统的演化宇宙是由物质、能量、信息构成的。物质是由能量构成的,能量结构化为长时间存在的状态,即为目前科学认知的物质,因此物质的秩序本质是能量秩序,而秩序属于信息。因此,物质属于具体结构,能量则属于抽象结构,而信息属于更加抽象的结构,物质的结构信息本质上是能量结构信息。结构系统的演化就是在动态平衡的基础上构建新的动态平衡。量子力学表明,人类观察的世界越细微就越不稳定,构成一块石头的基本粒子是一群在微观上转瞬即逝相互作用的事件。在一个时间尺度内宏观上看似静止的物质,其实本质上都是一个多层次的动态平衡系统,即在动态平衡的基础上构建新的动态平衡,从而形成了相对稳定的宏观物质。现代科学可以在瞬间制造出巨大的能量,比如通过日内瓦的大型强子对撞机,无数粒子从能量的海洋中喷薄而出。不同能量(抽象结构)相互作用,形成了动态平衡,从而生成具体结构(物质),为具体结构主导的结构演化提供了基础。地球温度逐步下降以后,在极其漫长的时间内,由非生命物质的具体结构主导了系统演化过程,然后一步一步演变为由抽象结构主导的系统演化,最后产生了质的飞跃,最终诞生了生命。2.1 具体结构主导的演化现在研究一个持续演化的结构系统 C,用 S 表示C 的具体结构,A 表示 C 的抽象结构。(1)由能量之间的相互作用形成动态平衡结构,即结构化的能量,从而生成了粒子 s11,s11的结构信息为 a11,C(S1,A1),其中,S1(s11),A1(a11)。(2)粒子之间相互作用,在动态平衡结构系统的基础上形成更高级的动态平衡结构系统。(3)C(S2,A2),其中 S2(s11,s12s1n),A2(a11,a12,a1n),A2包含了描述 s11和 s12等子结构系统本身的结构信息,也包含了 s11和 s12等子结构系统相互作用形成的更高级动态平衡结构系统的信息。A2要把 C 的具体结构信息描述出来,需要描述 S2中所有的结构之间的关系。(4)C 继续演化,在上述动态平衡结构系统的基础上相互作用,形成更高级的动态平衡结构系统,随着结构系统中要素的增加和结构系统层次的增加,子系统之间(这个级别的子系统设为 Sk)除了共价键之间的相互作用形成的动态平衡系统 Sn,不同子系统之间以非共价键相互作用,形成了更高级的动态平衡结构Sn+1、Sn+2。即在稳定的低级结构系统的基础上形成了更高级的结构系统,这个更高级结构系统具有更强的适应性,也就是结构系统本身不同部分之间的相互作用形成新的更具有适应性的动态平衡结构。在这种结构系统中,只有稳定结构成为结构系统中的控制性结构,从而决定其更高级的适应性结构,特别是稳定结构的线性结构信息就可以定义这个结构系统,可以把这种稳定结构的信息称之为定义性结构信息。这种结构系统具有简单与复杂的统一、稳定性与适应性的统一,则可以成为生物大分子结构,演化为更复杂的结构系统。把 C 的具体结构信息描述出来,只需要描述结构系统中 Sn这个级别的线性的结构信息,也就是上述的定义性结构信息,就可以确定 C。(5)假设定义的具体结构为 Sm,其结构信息为Am;被定义的结构系统的具体结构为 Sn,其结构信息为 An。从而结构系统 C 表示为:C(Sm,Sn),(Am,An)。假设结构系统 E 包含的结构信息恰好对应于结构系统 C 的 Am,即一个具体结构的结构信息定义了另外一个具体结构,而且 E 在和另外的结构系统 B 相互作用下合成了结构系统 C,即 B 促进了 C,而 B 这个结构系统也是由 E 包含的具体结构信息所定义的。同理,结构系统 A 促进了 B,而 A 的存在又制约了 C 的合成;C 的存在又促进了 D,而 D 又促进 E 的合成,而 B的存在制约了 D。如此发展下去,在某处就产生了 A、B、C、D、E 相互作用动态平衡的结构系统,而且 A、B、C、E 都是 D 所包含的结构信息所定义的,从而形成了一个能够自我维持的结构系统,A、B、C、D、E 都是这个自我维持结构系统的子系统,也就是要素。这个自我维持的结构系统的本质是具体结构与抽象结构相互作用形成的动态平衡结构系统,更能够适应环境而存在,那么结构系统的演化就由具体结构主导的演化发展为由抽象结构主导的演化。2.2 抽象结构主导的演化上述自我维持结构系统不断演化发展,在动态平衡的基础上形成了更高级的动态平衡系统,但是其中的结构都是由自身的抽象结构所定义的,而且只是抽象结构所能定义的子集,这种更高级的动态平衡系统22第 1 期2024 年 2 月现代盐化工Modern Salt and Chemical IndustryNo.1Feb.,2024本质上是抽象结构演化的结果。这种自我维持的结构系统,在环境变化的时候,通过系统中具体结构和抽象结构的相互作用,调节具体结构合成的量,或者合成那些不同的具体结构,甚至通过抽象结构的重组,合成新的结构,既能维持自身的动态平衡,又能适应环境的变化,也就是具有了自适应、自组织、维持动态平衡的功能。从生物大分子物质组成多分子体系,也就是具体结构和抽象结构相互作用,构成了动态平衡的结构系统,具有了自适应、自组织、保持自身动态平衡的功能。然后结构演化就进入了抽象结构主导演化的阶段,特别是多分子体系演变为具有新陈代谢、能够自我复制的原始生命体,就进入了生物演化的阶段。一旦自我维生作用确保了原始生命的生存,而自我繁殖能保证它可以繁衍后代时,在面对外来的严重侵扰时,它们会使用物质和能量,机动且成功地保持自身完整性,生命就开始了它的生物进化旅程5。生物的核酸 蛋白质结构系统的具体结构与抽象结构相互依存、互为因果的相互关系和相互作用的建立,是生命起源的最关键之处。核酸编码规定了蛋白质结构的遗传信息,即核酸记录了蛋白质的抽象结构;蛋白质是一切生命的物质基础,是构成细胞的基本有机物,是生命活动的主要承担者;核酸的合成和复制要由蛋白质(酶)来催化。也就是蛋白质的具体结构催化核酸,核酸的编码和功能靠蛋白质来表达。蛋白质和核酸的相互作用是核酸复制、基因组有序表达与染色体高层次构建及动态结构变化的核心。因此,这两类生物分子缺一不可,形成了抽象结构和具体结构统一的复合体,作为遗传信息载体与表达系统,在生物结构系统的功能中起到支配性作用,不仅是形成第一个细胞生物的基础,也使得生物自身依靠遗传、变异和选择而实现最优化,进化出了整个生物界,是生物的核心结构。在核酸 蛋白质系统中,核酸转录翻译蛋白质,一段核酸复制并不直接影响另一段核酸的复制,而是通过它所编码的蛋白酶去发生反应,形成催化循环。核酸 蛋白质的这种催化反应让化学物质循环性地发生反应,产生大量与它们本身相同或有变异的形式,形成了最初的信使和翻译产物的关系。当某种信使与相应的翻译产物包括反映翻译产物组成和结构环境之间出现相互促进的协同作用时6,简单的、低级的、相互关联的、彼此互补的反应循环便组成复杂的、高级的大循环系统,即超循环系统7。催化循环可以进行自复制,超循环则具有选择的能力,形成了具有自适应、自组织等功能的开放的结构系统,通过不断地与外界交换物质、能量和信息,能够对外界的干扰产生反应,维持它们内部的一致性和自身的整体性。在这个超循环过程中,围绕更有利于生存、繁衍的目的,结构系统以具体结构和抽象结构相互作用为核心,利用自适应、自组织等能力不断建立与周围结构环境的平衡,甚至不断地内化外部结构,更新系统的物质、能量和信息,由原来低级有序转变为一种在时间上、空间上和功能上的高级有序,在动态平衡结构系统之上形成更高级的动态平衡结构系统,螺旋演化发展,这就是生命的螺旋,是所有已知生命生存、繁衍和进化的基础。通过生物自身的自适应、自组织、构建动态平衡的功能,调节自身的结构,理论上不但可以治疗疾病、维护健康,还可以预先设计出特定结构或者未来环境具有的结构,让生物识别其结构信息,从而提前演化出相应的有利于生存或健康的结构,变被动适应为主动提前演化。3 生物信息材料中医是通过阴阳五行来研究和维护人体的动态平衡8,并提出了通过调整人体的阴阳平衡,可以增强人体自我修复和抵抗能力,达到恢复健康目的的扶正理论9。而上述动态平衡的结构系统模型则是中医阴阳五行和现代生物学在基础理论上的融合,如果再结合扶正理论,建立一个调节自身结构的、将疾病与健康统一的通用理论,就可以依据这个理论来设计、研发、加工能通过促进机体合成或调节结构来恢复平衡的材料。这种通用理论和局限于免疫系统的疫苗不同,能研发出针对生物的不同细胞、组织、器官、系统等恢复结构平衡的各种材料,其也被称为生物信息材料。3.1 疾病与健康的统一理论生物为了维持自身的动态平衡,通过识别外部结构的结构信息调节自身的基因表达,实现对结构量的调节。假设和结构 x 构建动态平衡,x 的量要可以调节,那么就需要有促进性结构,可以让 x 的量变多,也就是“生”的结构;也需要有制约性结构,可以让 x 的量变少,也就是“克”的结构。制约性结构和促进性结构的多少,取决于 x 是否是生物所需要的结构,即是否有益于生物结构系统自身的动态平衡。比如灭活疫苗进入人体后,虽然对人体没有攻击性,但是人体的结构系统中并没有与其构成动态平衡的结构,即并不需要它,所以人体就会大量产生抗体,也就是制约性的结构。对于一个给定的组织或者器官,假定平衡健康的状态下其结构组成的集合为 A,和 A 中每个结构相互作用而形成平衡的结构所组成的集合为 A。假设 A32第 1 期2024 年 2 月现代盐化工专论与综述No.1Feb.,2024中的结构 x 和 A中的结构 x相互作用形成平衡,当机体识别到 x的结构信息后,如果 x 缺失,因为人体具有自适应、自组织构建平衡的功能,就会自我调高 x 结构相关的基因表达合成结构 x,从而恢复 x 与 x之间的平衡。那么因为缺失 x 而对健康产生的影响就能够消除,从而恢复健康。如果一次性服用含有 A中所有结构的物质,理论上 A 结构中不同失衡所造成的各种对健康的影响都能够消除,这就是从健康的角度而不是从疾病的角度去维护健康。这种方法可以用于治疗各种内源性疾病、慢性病、退行性疾病等,如果这个疾病具有遗传性,那么如果 x的信息量足够大,则 x 的相应基因表达的基因修饰甚至可以遗传给后代,从而不再把这种病遗传给后代。假设 A中新增了结构 x,机体本身没有表达x 结构的基因,机体识别了 x的结构信息,就会通过基因重组创造出 x 来维护机体的动态平衡,如最常见的就是疫苗,其中 x是病毒结构,x 就是对应的抗体。疾病和健康是生物结构系统两种不同的状态,从疾病的角度或者健康的角度都可以恢复健康,所依据的都是生物自身所具有的自适应、自组织、构建动态平衡的功能,其本质都是中医的扶正思想。人体分为多个系统,然后再细分为器官、组织、细胞,甚至更微观的结构系统,可以将从宏观到微观健康的各级结构系统都称之为“正”。从疾病的角度治疗疾病,可以称之为“以邪扶正”;从健康的角度治疗疾病,可以称之为“以正扶正”10。3.1.1 以邪扶正把生物结构系统中失衡的结构(称之为“内邪”)或者让生物接触之后产生疾病的外部结构(称之为“外邪”)统称为“邪”,将治疗生物疾病的复杂问题转化为建立“邪”与“正”之间结构平衡的简单问题,具体方法是:将“邪”作为外部结构作用于生物的结构系统,生物的结构系统通过对所述“邪”的结构信息的识别和传递,通过自身的自适应、自组织等功能,调节和“邪”相关结构的基因或者基因表达,建立和“邪”之间的结构平衡,从而预防和治疗因为“邪”所引起的疾病。这种方法就是“以邪扶正”。上述 A 中的结构 X和 A中的结构 X相互作用形成平衡,如果 X 缺失,就不能和 X建立平衡,X对机体就会产生危害,就是“邪”。那么让机体识别 X的结构信息,机体就会调节和 X 相关的基因表达,重新恢复平衡。“以邪扶正”的关键是找到“邪”,这个“邪”是针对具体某个个体而言的,所有引起某个个体产生疾病的结构,相对这个个体而言就是“邪”。比如花生,对于绝大多数人而言是营养丰富的食品,不会引起疾病,但是对于花生过敏的人而言,引起的过敏反应有致命的危险。3.1.2 以正扶正“正”(即人体的各级结构系统)由于各种原因缺失了某个或某些结构,比如所对应基因由于基因修饰而不表达合成“正”中的某个结构,从而造成“正”的失衡,产生了疾病。把发生失衡结构的“正”所对应的与其构建平衡的结构作为外部结构,作用于生物的机体,机体能够对所述外部结构信息进行识别和传递,通过自身的自适应、自组织、构建动态平衡的功能,会根据所述外部结构中每个结构的结构信息,调节与其相互作用结构的基因表达,因此所述失衡的结构自然就能恢复平衡,达到预防和治疗疾病的目的。这种方法可以称为“以正扶正”。假设发生了失衡结构的“正”是上述的 A,A中的结构能够和 A 中的结构相互作用而形成动态平衡,A 的失衡会造成 A 和 A的相互作用失去动态平衡。那么让机体识别 A所包含的结构信息,机体通过自身的自适应、自组织功能调节自身的基因表达,从而和 A构建动态平衡。而和 A中的结构能相互作用构成动态平衡的结构,恰好在 A 中,因此会调节与 A中结构相对应的基因表达,从而 A 也恢复了平衡。“以正扶正”的关键是找到发生了结构失衡的“正”,无论是衰老造成的结构失衡,还是病毒引起的结构失衡,或者其他病变引起的结构失衡,首先要找到失衡所在的“正”,而可以不用探究结构失衡的具体情况,然后通过“以正扶正”恢复健康。从健康的角度,“正”都是一样的,针对每个结构都有促进性结构和制约性结构,在相互作用下达到了动态平衡,而失衡各有各的不同,不但产生不同的疾病,更会产生各种不同的症状,让辨证论治和辨病论治变得非常复杂。以“正”的角度研究疾病及疾病的诊断和治疗,以非常少、非常模糊的疾病信息,就可以精准地治疗疾病,不但能治当下的疾病,也能治未来的疾病,是有限和无限的统一,而且是以简单方法解决了复杂的问题。用来“以邪扶正”和“以正扶正”的物质可以称为“生物信息材料”。3.2 生物信息材料的研制研制用于扶正的生物信息材料,首先确定是“以邪扶正”还是“以正扶正”。对于容易发现和获得的“邪”,用“以邪扶正”的方法进行治疗,把“邪”作为原料加工成用于扶正的生物信息材料;对于不容易发现或者不容易获得的“邪”,用“以正扶正”的方法来防治疾病,首先要分析计算用于扶正的结构信息对应的结构存在于哪些原料中。生物中的结构都是由编码基因表达合成的,不同物种之间的编码基因差别不大,而物种之间的差异主要体现在非编码基因上,比如人类基因中非编码基因占比高达 98%,因此用于扶正的结构42第 1 期2024 年 2 月现代盐化工Modern Salt and Chemical IndustryNo.1Feb.,2024信息对应的结构基本上都存在于动物和植物之中,可以将其作为原料加工和提纯为用于扶正的生物信息材料。3.2.1 生物信息材料的制造如何对上述原料进行加工才能制造出用于扶正的生物信息材料呢?通过结构信息激发人体自身自适应、自组织的结构调节功能,最常见的是疫苗的应用。从疫苗的发展历程来看,早期直接用病毒(如人痘、牛痘)作为疫苗进行接种,就是识别病毒的全部结构,到后来的灭活疫苗,人体识别失去生物活性的结构信息仍然能够产生抗体。现在虽然灭活疫苗还在使用,但已经深入到了微观的生物大分子层面,通过分析病毒的特异性结构,再利用生物技术人工合成疫苗,人体只需要识别这些特异性结构,就可以产生相应的抗体。因此,人体的结构系统通过自我结构调节和外部结构系统构建平衡,并不需要识别外部结构系统的所有结构信息,只需要识别其特异性结构即可,也就是存在于前文所论述的定义性结构中的结构信息,所以可以将原料中这样的结构信息作为生物信息材料用于扶正的结构信息。为了保持生物信息材料的稳定性,不会被生物体消耗吸收,同时又能够对用于扶正的结构进行提纯,可以采用高温裂解提纯的工艺对原料进行加工处理。3.2.2 生物信息材料的应用下面以研制针对过敏性疾病快速脱敏的生物信息材料为例进行说明。世界卫生组织认为“脱敏治疗是唯一可能根治过敏性疾病的方法”。现有脱敏的方法是用具有生物活性的过敏原,小剂量地持续刺激人体,不断增加耐受,来实现脱敏,因此存在脱敏周期长、副作用大、有效率低等问题。过敏是人体结构系统与过敏原之间的失衡,脱敏就是恢复它们之间的平衡。对于过敏患者而言,过敏就是“邪”,因此通过“以邪扶正”就可以治疗过敏性疾病。过敏是人体结构失衡造成的,和疫苗诱发人体产生本来不存在的抗体不同,失衡的结构都是人体本身已经存在的结构,只是某些结构过剩或者缺失,理论上脱敏时间应该远比疫苗诱发人体产生之前所没有的抗体的时间要短,关键是如何让人体能在短时间内识别足够量过敏原的结构信息。这就是生物信息材料学所要解决的问题,基本的解决思路是:首先深入到过敏原生物大分子的内部,分析计算其特异性结构的物理、化学特性,然后通过加工工艺对用于扶正的这种特异性结构进行提纯,从而加工成为生物信息材料作为脱敏物质。该方法解决了最关键的几个问题:(1)信息量大。通过工艺提纯的生物信息材料,可以让人体短时间内识别大量的过敏原结构信息,保证信息量足够大。(2)信息稳定性。由于生物信息材料不会被人体消化吸收,故能作为信息源稳定存在。(3)安全性。由于采用高温裂解的加工工艺,避免了机体对原有过敏原的过敏反应,解决了副作用问题,保证了安全性。该方法可以将脱敏周期由现有 3 年左右缩短为 30 min 以内,有效率提高到了95%以上,并且安全无副作用。2018 年在沧州人民医院使用生物信息材料对52 名过敏患者进行了184 个过敏原的脱敏,针对每个过敏原口服相应的脱敏物质,30 min 后用过敏原激发试验均无过敏反应。在后续3 年的随访中,复发率不到4%。用上述方法研制的快速脱敏制剂,获得了科技部组织的2021 年全国颠覆性创新技术大赛优秀奖。4 结语探索了生物的演化机理,并在融合医学、信息学、材料学等多个学科的基础上提出了生物信息材料学。生物信息材料可以用于医药、功能食品、化妆品等领域,未来还可以延伸至日用品方面,涉及人类生活的方方面面,可以有效地维护生命健康,从而为医药健康事业做出更大贡献。根据上述对动态平衡的结构系统模型和结构系统演化的研究,以及所建立的生物信息材料学的理论和方法,可以将其应用于其他领域,比如信息领域、人工智能等。参考文献:1 夏芯,朱雅文,周利,等.疫苗新型佐剂的作用机制和研发进展综述J.中国疫苗和免疫,2023,29(4):474 482.2 王凯.病毒疫苗的研发现状及展望J.山东大学学报(医学版),2021,59(5):8 14.3 德伟,张一鸣.生物化学与分子生物学M.南京:东南大学出版社,2018.4 董福田.结构信息医学诊断和治疗的方法J.名医,2020(2):1 3.5 朱圣庚,徐长法.生物化学M.北京:高等教育出版社,1980.6 魏宏森.系统论:系统科学哲学M.北京:世界图书出版公司,清华大学出版社,1995.7 M艾根,P舒斯特尔.超循环论M.上海:上海译文出版社,1990.8 王德辰,马友诚,孙瑞茜,等.中医阴阳五行诊疗体系之治法浅探J.中华中医药杂志,2022,37(11):6228 6233.9 傅慧婷,沈书扬.中医扶正观之探微J.光明中医,2022,37(1):37 39.10 董福田.中西医融合与“辨证论治”J.名医,2020,(8):5 7.52